F2FS文件系统的数据结构

一、概述

F2FS是Flash Friendly File System的简称。该文件系统是由韩国三星电子公司于2012年研发，只提供给运行Linux内核的系统使用，这种文件系统对于NAND闪存类存储介质是非常友好的。并且F2FS是专门为基于 NAND 的存储设备设计的新型开源 flash 文件系统。特别针对NAND 闪存存储介质做了友好设计。F2FS 于2012年12月进入Linux 3.8 内核。目前，F2FS仅支持Linux操作系统。

根据内部几何结构和闪存管理机制(FTL)，闪存存储设备有很多不同的属性，所以F2FS的设计者增加了多种参数，不仅用于配置磁盘布局，还可以选择分配和清理算法，优化性能(并行IO提高性能)

F2FS早期开发者为Jaegeuk Kim，当时是三星员工，但是三星自家的机器没有直接使用F2FS，而是CM开源ROM组有做相关的适配。后来这个开发者被MOTO挖走，于是我们见到了用F2FS的MOTO X系列。后来又去了华为，故而有了全线F2FS的EMUI5.0，号称流畅度提升20%华为的P9和Mate9都使用F2FS，流畅度明显提升。当然F2FS倒没什么版权纠纷，Linux体系下的东西自然遵守开源协定。

对于F2FS，官方文档和其他博主大都从原理和代码的角度来分析，我今天会从实战横向对比EXT4文件系统的视角，带你感受真实的F2FS！

二、F2FS架构

F2FS文件系统的数据结构说明：
F2FS使用三种node：inode，直接node，间接node。F2FS分配4KB的空间给一个inode，其中包括929个数据块索引指针，两个一级索引块(直接node)指针，两个二级索引块(间接node)指针，以及一个三级索引块(二级间接node)指针。

一个一级索引块包含1018个数据块指针，一个二级索引块包含1018个一级索引块指针，一个三级索引块包含1018个二级索引块指针。可以索引到一个文件的最大大小是：

4 KB * (929 + 2*1018 + 2*1018*1018 + 1018*1018*1018) := 3.94 TB

F2FS文件系统的标准磁盘布局：

F2FS文件系统的数据结构(node结构)：

三、F2FS和EXT4文件系统比较

碎片整理
EXT4文件系统：按照EXT文件系统的作者所说的，在分区的空余空间在2%以上的情况下EXT分区是不会产生碎片的。
F2FS文件系统：为管理磁盘上的大的连续的空间以便快速写入数据，使用Segment Cleaner从重度碎片化的Segment中转移出有效信息，然后将该Segment清理干净用于后续写入数据。

占用空间
通过DiskInfo可以明确的显示,当Data分区的文件系统格式分别为EXT4和F2FS时所占空间的大小对比:从Android系统的角度来看，相同的安卓ROM包，在F2FS文件系统下占用闪存的容量会多一些。

F2FS文件系统在每一个文件索引节点块中包含了如下f2fs_inode和node_footer。其中f2fs_inode结构中的数据索引区又存在923个数据块指针，每个指针对应一个大小为4KB的数据块，但是在通常情况下系统文件索引并不需要用到所有数据块，在最极端情况下文件大小为4KB时，只需要用到一个数据块，剩下的数据块则处于闲置状态，这就造成了存储容量在一定程度上的空间浪费，也就是同样一部手机，在相同的安卓系统中，F2FS文件系统下，闪存容量的占用会相对高一些。

数据恢复
数据恢复机制和数据写入磁盘的方式密切相关。对于Linux系统，其页缓存机制采用推迟写入的方式写入数据，在内存中被标记为脏的页并不会立即写回磁盘，以确保系统的性能。因此，存在于内存页中的数据在系统发生意外情况时就会丢失。

对于一种情况，即sync操作时发生在数据写入磁盘后而在元数据写入磁盘前的系统意外，其数据已经写入磁盘但由于没有索引而无法找回，而F2FS提供了相应的恢复机制找回这些文件数据。

集成情况
现在不管是手机或者其他Android设备集成F2FS比较普遍，但是早期为了兼容性和性能，会把data分区使用F2FS，而系统和缓存都还是EXT4，这样F2FS只会影响到第三方应用一段时间内首次读写文件时的速度，这只是使用流畅度的一部分而已。此外比较重要的系统和较小的缓存分区仍采用EXT4。

读写速度
左边EXT4文件系统， 右边F2FS文件系统

连续读写：
二者的连续读写性能没有太大的变化。

随机读写：
F2FS比EXT4的随机读取性能提升了25%左右；但是随机写入速度，F2FS比EXT4文件系统有了飞跃的提升，随机写入性能提升了三倍还多。

由于随机写入的性能大大提升了，在类似软件安装和系统重启中，要大量写入小文件的情况下，F2FS文件系统下有非常喜人的变化。

四、性能测试

使用工具AdroBench.apk和安兔兔测试

不同场景测试

审核编辑：彭静